中国桥梁结构健康监测标准化研究进展

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中国桥梁建设的成就、特点以及面临的挑战

桥梁结构健康监测技术通过实时测量结构的运营状态数据，据此提取表征结构性能的指标，实现病害诊断和安全评估，进而提出维护策略，是确保桥梁结构运营安全的有效手段。不仅如此，桥梁结构健康监测系统的数据还能用于快速评估极端作用后结构的安全性能、指导相关人员进行科学的维护和管理、促进桥梁工程基本理论和设计方法的发展。典型的桥梁结构健康监测系统包括传感器子系统、数据采集和传输子系统、数据管理子系统以及结构状态评估子系统四个部分。根据数据采集模式的不同，桥梁结构健康监测系统可以分为连续采集系统、周期采集系统和触发式采集系统；根据数据传输模式的不同，桥梁结构健康监测系统可以分为有线传输系统和无线传输系统。目前，中国大量的桥梁安装了结构健康监测系统，并且在桥梁结构健康监测方面的投入持续增加。可见，桥梁结构健康监测已发展成为颇具规模的新兴行业。

虽然桥梁结构健康监测行业得到快速发展，但是大量桥梁结构健康监测系统在实施时，也暴露出许多问题，主要表现在：（1）桥梁结构健康监测系统的设计师对于系统功能和作用的理解尚未达成共识，即使两座结构非常相近的桥，不同设计师设计的健康监测系统，其性能可能截然不同。（2）硬件设备选择不合理，比如加速度传感器的低频分辨率不能满足高柔桥梁结构的监测、应变传感器的长期稳定性不能满足使用要求等，这些缺陷常常导致数据失真，严重时甚至造成数据失效；（3）传感器的布设位置缺乏科学的论证和研究，数据缺失或冗余现象时有发生；（4）传感器安装和保护不合理，雨水侵蚀造成传感器损坏或失效的事故屡见不鲜；（5）采样频率的设置缺乏科学依据，过高或过低的现象均有发生；（6）数据采集的格式不统一，数据共享不能实现；（7）预警阈值的设定缺乏科学性，常常出现异常不报警或无异常频繁报警。

造成上述问题的主要原因在于，行业行为缺乏统一的准则和纲领。因此，亟待通过完善的标准体系来指导桥梁结构健康监测系统的设计、安装和运行，确保桥梁结构健康监测系统能够达到设计预期，进而促进桥梁结构健康监测行业的快速发展和桥梁结构健康监测理论成果的快速转化，同时发现目前桥梁结构健康监测技术存在的不足，加速桥梁结构健康监测技术的成熟。

桥梁结构健康监测系统的实施涉及到设计、安装、运营和维护等多方面和多学科的相关技术，比如传感器技术、数据传输技术、信号处理技术和信息管理技术等。不仅如此，不同桥型（如梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等）具有不同的静动力特性，对传感器类型、测点布设、采样频率和管理策略等均有不同的要求。再次，目前市场上可用于桥梁结构健康监测的硬件设备种类繁多，不同硬件设备遵循不同的原理，同时又具有不同的优点和缺点，很难制定一个合理的选择准则。此外，现有的信号处理技术和结构性能评估方法均存在一定的局限性，尚未形成通用的信号处理技术和结构性能评估方法。这些特点使得建立完善的桥梁结构健康监测标准化体系面临巨大挑战。为了能较好地解决上述问题，可以从桥梁结构健康监测系统实施过程的标准化、不同桥型结构健康监测系统的标准化、桥梁结构健康监测技术的标准化以及桥梁结构健康监测系统功能的标准化几个方面建立桥梁结构健康监测的标准体系，如表1所示。

表1 桥梁结构健康监测标准体系框架

中国的标准体系，从功能上分为标准、规范、规程，从权威程度上分为国家标准、行业标准、地方标准、团体标准和企业标准。桥梁结构健康监测标准化的重要性已引起国内业界同仁们的广泛关注，大量学者和工程技术人员在桥梁结构健康监测的标准化方面开展了大量工作。目前，中国已有多部可用于指导桥梁结构健康监测的标准，这些标准可分为两类：第一类是用于所有土木工程结构（包括桥梁）的健康监测标准，如表2所示；第二类是专门用于桥梁结构健康监测的标准，如表3所示。

表2 通用结构健康监测标准

表3 桥梁结构健康监测标准